汽車構造-課件-第02章曲柄連桿機構

汽車構造

AUTOMOBILESTRUCTURE機械與汽車工程學院汽車工程系主講人：孔勝利kongsl@第2章機體組與曲柄連桿機構機體組活塞連桿組曲軸飛輪組2023/2/52汽車構造機體組與曲柄連桿機構功用：將燃料燃燒時產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑瓦\動的機械能，再通過連桿將活塞的往復運動變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動而對外輸出動力?；钊B桿組及曲軸飛輪組結構示意圖2023/2/53汽車構造2.1

機體組機體是發(fā)動機的骨架，是發(fā)動機各機構和系統(tǒng)的裝配機體。主要包括汽缸體、汽缸蓋、汽缸墊和油底殼。1、汽缸體水冷發(fā)動機的汽缸體與上曲軸箱制成一體，一般用灰鑄鐵制成，上部為圓柱形空腔（氣缸），下半部為支承曲軸的曲軸箱。汽缸體內(nèi)部有水套、潤滑油道和加強筋。汽缸體結構示意圖2023/2/54汽車構造汽缸體結構形式示意圖（a）一般式（b）龍門式（c）隧道式機體組（1）汽缸體的分類按氣缸體與油底殼安裝平面位置不同分為：一般式汽缸體、龍門式汽缸體和隧道式汽缸體。2023/2/55汽車構造機體組2023/2/56汽車構造機體組（2）汽缸體的冷卻：為保證發(fā)動機在高溫下能正常工作。汽缸體與汽缸蓋結構示意圖

a.水冷b.風冷1汽缸體2水套3汽缸蓋4燃燒室5汽缸墊6散熱片2023/2/57汽車構造機體組（3）汽缸的排列方式

氣缸排列方式示意圖(a)直列式(b)V型(c)對置式(a)(b)(c)2023/2/58汽車構造機體組2023/2/59汽車構造機體組（4）汽缸套汽缸套示意圖

(a)干式(b)濕式密封圈4汽缸體3水套2汽缸套12023/2/510汽車構造機體組干式缸套特點是外表面不與冷卻水接觸。它是一個耐磨性能良好的薄壁套筒，壁厚一般為1～3.5mm，干缸套上端通常有凸肩用作軸向定位，軸墊卷邊壓在凸肩上，凸肩的圓角必須適當，以免應力集中損壞缸。濕式缸套濕缸套是一個與冷卻水直接接觸的厚壁套筒，壁厚應保證缸套有足夠的強度和剛度，一般為缸徑的5%～10%。濕缸套的優(yōu)點是導熱性好，便于更換，缸體鑄造簡單，材料可按需要選擇。缺點是缸體剛度差，容易漏水。故廣泛應用于柴油機和鑄鋁缸體上。2023/2/511汽車構造機體組2、汽缸蓋（1）汽缸蓋用來封閉氣缸的上部，并與活塞頂、汽缸壁共同構成燃燒室。材料常為優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵、合金鑄鐵或鋁合金。汽缸蓋的分解圖2023/2/512汽車構造機體組汽缸蓋內(nèi)有與汽缸體相通的冷卻水套、燃燒室、火花塞座孔（汽油機）或噴油器座孔（柴油機）、進排氣道等。為制造維修方便，減小變形對密封的影響，功率較大的柴油機多采用分開式汽缸蓋；而汽油機因缸徑較小，負荷較輕，多采用整體式缸蓋。分開式汽缸蓋實例2023/2/513汽車構造機體組汽缸蓋的分解圖實例2023/2/514汽車構造機體組（2）汽油機的燃燒室由活塞頂部及汽缸蓋上的相應凹部空間組成。汽油機燃燒室常見的形狀有如下三種：汽油機燃燒室(a)楔形(b)盆形(c)半球形2023/2/515汽車構造機體組3、汽缸墊汽缸墊用來保證汽缸體與汽缸蓋結合面間的密封。要求耐熱、耐腐蝕，有足夠的強度和一定的彈性，且拆裝方便，能重復使用，壽命長。2023/2/516汽車構造機體組目前常用的2種分別是金屬—石棉汽缸墊和純金屬汽缸墊。汽缸墊橫截面示意圖(a)--(d)金屬—石棉汽缸墊(e)純金屬汽缸墊2023/2/517汽車構造機體組4、油底殼油底殼的作用是儲存機油并封閉曲軸箱。一般用薄鋼板沖壓而成，也有采用帶散熱片的鋁合金鑄造的輕金屬油底殼。油底殼結構示意圖(a)薄鋼板油底殼(b)輕金屬油底殼2023/2/518汽車構造機體組5、發(fā)動機的支承發(fā)動機一般采用三點支承和四點支承兩種方式，通過汽缸體和飛輪殼或變速器殼體上的支承點，彈性支承在車架上。發(fā)動機的支承(a)三點支承(b)四點支承1--前支承2--后支承3--橡膠支承4--縱向拉桿2023/2/519汽車構造2.2

活塞連桿組活塞連桿組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷和連桿等組成?；钊B桿組示意圖1活塞環(huán)7鎖緊螺母2S卡環(huán)8連桿軸承3連桿襯套9彈簧墊片4連桿10活塞銷5連桿螺栓11活塞6連桿蓋2023/2/520汽車構造活塞連桿組1、活塞活塞的主要作用是承受汽缸中的燃燒壓力，并將此力通過活塞銷和連桿傳給曲軸。此外，活塞還與汽缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室。活塞是發(fā)動機中工作條件最嚴酷的零件：作用在活塞上的有氣體力和往復慣性力?；钊斉c高溫燃氣直接接觸，使活塞頂?shù)臏囟群芨??；钊趥?cè)壓力的作用下沿氣缸壁面高速滑動，由于潤滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴重。（1）活塞常用材料：常用的是鋁合金；新材料（發(fā)泡石墨活塞、鋁基復合材料、合金鑄鐵、耐熱鋼、金屬陶瓷等）。2023/2/521汽車構造活塞連桿組（2）活塞結構：活塞可視為由頂部、頭部和裙部等3部分構成?；钊Y構剖視圖2023/2/522汽車構造活塞連桿組(a).活塞頂汽油機活塞頂部的形狀與燃燒室形狀和壓縮比大小有關?；钊?shù)男螤睿浩巾?、凸頂和凹頂。大多?shù)汽油機采用平頂活塞，其優(yōu)點是受熱面積小，加工簡單。采用凹頂活塞可通過改變凹坑的尺寸來調(diào)節(jié)發(fā)動機的壓縮比?；钊?shù)男螤?a)平頂(b)凹頂(c)凸頂2023/2/523汽車構造活塞連桿組(b).活塞頭：由活塞頂至油環(huán)槽下端面之間的部分。在活塞頭部加工有用來安裝氣環(huán)和油環(huán)的氣環(huán)槽和油環(huán)槽。在油環(huán)槽底部還加工有回油孔或橫向切槽，油環(huán)從氣缸壁上刮下來的多余機油，經(jīng)回油孔或橫向切槽流回油底殼?；钊Y構實例2023/2/524汽車構造活塞連桿組(c)活塞裙：活塞環(huán)槽以下的所有部分，其作用是引導活塞在汽缸中作往復運動并承受側(cè)壓力?；钊共康臋E圓變形(a)氣體壓力產(chǎn)生的彎曲變形(b)受熱后膨脹變形(c)側(cè)壓力作用下的擠壓變形(d)裙部的綜合變形2023/2/525汽車構造活塞連桿組為使活塞在各種工況下均能與汽缸壁間保持均勻的間隙，活塞裙通常采用下列結構措施：橢圓錐裙：裙部斷面制成橢圓形，橢圓的長軸在垂直活塞銷的方向，即在連桿擺動平面內(nèi)或承受側(cè)壓力導向平面內(nèi)，橢圓的短軸在活塞銷的方向。裙部軸向呈錐形，上小下大。這樣活塞工作過程中，受力受熱膨脹變形時，形成圓柱形，不致在氣缸內(nèi)卡住。采用雙金屬活塞。在活塞裙部銷座處鑄入膨脹系數(shù)小的鋼片,限制活塞裙部的變形，使變形量減小。裙部開有絕熱—膨脹槽。在裙部受側(cè)向力較小的面，開有“T”形或“Π”形槽。其中橫槽叫絕熱槽，可減少頭部熱量向裙部傳導，從而減少裙部的熱膨脹。豎槽叫膨脹槽，可使裙部具有一定的彈性和熱態(tài)起補償作用，使活塞在裝配較小的情況下熱膨脹時不致卡缸。2023/2/526汽車構造(a)(b)(c)(d)活塞裙部的不同形狀和結構(a)橢圓錐裙(b)活塞的膨脹槽和絕熱槽(c)恒范鋼片式(d)自動調(diào)節(jié)式活塞連桿組2023/2/527汽車構造活塞連桿組為改善鋁合金活塞的磨合性，可對活塞裙部表面涂以保護層，材料可為鉛、錫、石墨或塑料等。為了減輕活塞在越過上止點時因側(cè)壓力瞬時換向而產(chǎn)生的“敲缸”現(xiàn)象，減小噪聲，改善發(fā)動機工作的平順性，有些高速發(fā)動機將活塞銷座向承受做功行程側(cè)壓力一面偏移1~2mm。活塞銷偏置與活塞的換向過程(左)對中布置(右)偏移布置2023/2/528汽車構造活塞連桿組2、活塞環(huán)：按功用的不同分為氣環(huán)和油環(huán)。氣環(huán)（1）作用密封：防止氣缸內(nèi)的氣體竄入油底殼；傳熱：將活塞頭部70~80%的熱量傳給氣缸壁。氣環(huán)的密封原理P--氣體壓力2023/2/529汽車構造活塞連桿組（2）結構形式氣環(huán)常見的截面形狀有如下幾種：矩形環(huán)、錐面環(huán)、扭曲環(huán)、梯形環(huán)、桶面環(huán)。氣環(huán)的斷面形狀a矩形環(huán)b錐面環(huán)c正扭曲內(nèi)切環(huán)d反扭曲錐面環(huán)e梯形環(huán)f桶面環(huán)2023/2/530汽車構造活塞連桿組油環(huán)（1）作用刮除汽缸壁上多余的機油，并在氣缸壁上涂布一層均勻的油膜，即可防止機油竄入燃燒室，又能減少活塞及活塞環(huán)與氣缸的磨損。（2）油環(huán)的刮油過程油環(huán)的刮油過程示意圖2023/2/531汽車構造活塞連桿組3活塞銷：連接活塞和連桿，將活塞所承受的氣體壓力傳給連桿。（1）材料活塞銷在高溫下承受極大的周期性沖擊載荷，潤滑條件差。要求活塞銷具有足夠的強度、剛度和耐磨性，且質(zhì)量要小。一般為低合金滲碳鋼。對高負荷發(fā)動機則采用滲氮鋼。（2）結構活塞銷形狀(a)圓柱形孔(b)端部錐形擴展(c)中間封閉式(d)單側(cè)封閉式(e)內(nèi)有塑料芯的鋼套銷(f)成形銷2023/2/532汽車構造活塞連桿組4、連桿將活塞承受的力傳給曲軸，并將活塞的往復運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。（1）材料一般采用45、40Cr等中碳鋼或中碳合金鋼經(jīng)模鍛或輥壓制成，少數(shù)用球墨鑄鐵制成。為提高疲勞強度，連桿常進行表面噴丸處理。小型發(fā)動機的連桿常用高強度鋁合金制造。（2）結構連桿主要分為連桿小頭、桿身和連桿大頭3個部分。連桿零件分解圖1—連桿大頭2—連桿軸承3—止推凸肩4—連桿小頭襯套5—連桿小頭6—桿身7—連桿螺栓8—連桿蓋2023/2/533汽車構造活塞連桿組(a)連桿小頭連桿小頭與活塞銷的連接方式有兩種，即全浮式和半浮式。連接小頭與活塞銷的連接方式全浮式活塞銷工作時，在連桿小頭孔和活塞銷孔中轉(zhuǎn)動，可以保證活塞銷沿圓周磨損均勻。為防止活塞銷兩端刮傷氣缸壁，在活塞銷孔外側(cè)裝置活塞銷擋圈。半浮式活塞銷是用螺栓將活塞銷夾緊在連桿小頭孔內(nèi)，這時活塞銷只在活塞銷孔內(nèi)轉(zhuǎn)動，在小頭孔內(nèi)不轉(zhuǎn)動。小頭孔不裝襯套，銷孔中也不裝活塞銷擋圈。2023/2/534汽車構造活塞連桿組(b)連桿桿身桿身斷面為工字形，剛度大、質(zhì)量輕、適于模鍛。工字形斷面的Y-Y軸在連桿運動平面內(nèi)。有的連桿在桿身內(nèi)加工有油道，用來潤滑小頭襯套或冷卻活塞。如果是后者，須在小頭頂部加工出噴油孔。連桿桿身

(a)無油道的(b)有油道的2023/2/535汽車構造活塞連桿組(c)連桿大頭連桿大頭與曲軸的連桿軸頸相連。通常是剖分式的，上半部分與桿身為一體，下半部即連桿蓋，二者通過連桿螺栓裝合。連桿大頭的切口形式有直切口和斜切口2種。斜切口連桿大頭定位方式

(a)止口定位(b)套筒定位(c)鋸齒定位2023/2/536汽車構造活塞連桿組康明斯發(fā)動機連桿配件圖2023/2/537汽車構造活塞連桿組連桿總成結構圖2023/2/538汽車構造活塞連桿組2023/2/539汽車構造活塞連桿組(d)連桿軸承連桿軸承裝在連桿大頭孔內(nèi)，用以保護連桿軸頸及連桿大頭孔。軸瓦是在厚1～3mm的薄鋼背的內(nèi)圓面上澆鑄0.3～0.7mm厚的減磨合金膜，起到減小摩擦阻力和加速磨合的作用。連桿軸承減磨合金層4定位凸鍵3油槽2鋼背1目前主要的軸承減磨合金有：巴氏合金、銅鉛合金和高錫鋁合金。2023/2/540汽車構造活塞連桿組(e)連桿螺栓工作時連桿螺栓承受交變載荷，因此在結構上應盡量增大其彈性，而在加工時要精細加工過渡圓角，消除應力集中，以提高其抗疲勞強度。連桿螺栓用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，如40Cr、35CrMo等。經(jīng)調(diào)質(zhì)后滾壓螺紋，表面進行防銹處理。

連桿螺栓2023/2/541汽車構造活塞連桿組(f)V形發(fā)動機連桿的結構形式V形發(fā)動機由于左右兩缸的連桿裝在同一個曲柄銷上，故其結構隨安裝布置而不同。V形發(fā)動機的連桿布置有如下3種形式：V行發(fā)動機連桿示意圖

(a)并列連桿式(b)主副連桿式(c)叉形連桿式2023/2/542汽車構造2.3

曲軸飛輪組曲軸飛輪組主要由曲軸、飛輪、曲軸正時齒輪、皮帶輪和曲軸扭轉(zhuǎn)減振器等組成。曲軸飛輪組實例飛輪8滾針軸承7組合止推軸承6主軸承5曲軸4半圓鍵3曲軸正時齒輪2皮帶輪12023/2/543汽車構造曲軸飛輪組1、曲軸曲軸的功用是把活塞、連桿傳來的氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，用以驅(qū)動汽車的傳動系統(tǒng)和發(fā)動機的配氣機構以及其他輔助裝置（如汽油泵、機油泵、分電器、發(fā)電機、水泵風扇等）。（1）常用材料曲軸一般由45、40Cr、35Mn2、50MnB等中碳鋼和中碳合金鋼模鍛而成，軸頸表面經(jīng)高頻淬火或氮化處理，最后進行精加工。現(xiàn)代汽車發(fā)動機廣泛采用球墨鑄鐵曲軸。微合金非調(diào)質(zhì)鋼曲軸是近年來發(fā)展起來的新鋼種。2023/2/544汽車構造曲軸飛輪組（2）曲軸結構(a)按曲拐連接方式，曲軸分為整體式和組合式兩種。整體式曲軸后端凸緣6曲柄5主軸頸4連桿軸頸3平衡重2前端軸1組合式曲軸1，3--滾動軸承；2--連接螺栓；4--曲軸；5--定位螺栓2023/2/545汽車構造曲軸飛輪組

(b)

按主軸頸的數(shù)目，曲軸分為全支承和非全支承兩種。相鄰兩曲拐間都設置一個主軸頸的曲軸為全支承曲軸，否則為非全支承曲軸。非全支承曲軸全支承曲軸因此，直列式發(fā)動機的全支承曲軸，其主軸頸總數(shù)（包括曲軸前端和后端的主軸頸）比氣缸數(shù)多一個；V形發(fā)動機的全支承曲軸，其主軸頸總數(shù)比氣缸數(shù)的一半多一個。全支承曲軸的優(yōu)點是可以提高曲軸的剛度和彎曲強度，并且可減輕主軸承的載荷。其缺點是曲軸的加工表面增多，主軸承數(shù)增多。柴油機一般都采用這種支撐方式。非全支承曲軸的優(yōu)點是縮短了曲軸的長度，使發(fā)動機總體長度有所減小。其缺點是主軸承載荷較大。承受載荷較小的汽油機可采用此種方式。2023/2/546汽車構造曲軸飛輪組曲軸實例（上）全支承式（下）非全支承式

2023/2/547汽車構造曲軸飛輪組(c)

平衡重平衡重用來平衡曲軸的離心力及其力矩，有時也平衡一部分活塞連桿組的往復慣性力及其力矩，以使發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并可減小曲軸主軸承的負荷。對于四缸、六缸等直列多缸發(fā)動機，就整體而言其慣性力、離心力及其力矩是平衡的，但曲軸局部受彎矩作用。曲柄平衡重作用示意圖(a)無平衡重(b)加平衡重圖(a)中，慣性力F1和F2平衡，F(xiàn)3和F4平衡，力矩M1-2與M3-4平衡，但M1-2和M3-4給曲軸造成彎曲載荷。因此，通常在曲軸的相反方向設置平衡重，使其產(chǎn)生的力矩與上述慣性力矩相平衡，如圖(b)所示。注：在曲軸的曲柄臂上設置的平衡重只能平衡旋轉(zhuǎn)慣性力及其力矩，而往復慣性力及其力矩的平衡則需采用專門的平衡機構。2023/2/548汽車構造曲軸飛輪組(d)

曲軸前后端結構曲軸前端結構1起動爪2帶輪3正時齒輪4油封5止推墊片6滑動推力軸承7滑動推力軸承8甩油盤2023/2/549汽車構造曲軸飛輪組曲軸后端結構1軸承座2甩油盤3回油螺紋4飛輪5飛輪螺栓螺母6曲軸凸緣盤7填料油封8軸承蓋2023/2/550汽車構造曲軸飛輪組(e)

曲軸軸承按照承載方向，曲軸軸承可分為徑向軸承和軸向（推力）軸承。徑向軸承用于支承曲軸，通常為分開的滑動軸承。曲軸滑動軸承(a)單層合金(b)雙層合金

(c)三層合金

2023/2/551汽車構造曲軸飛輪組軸向（推力）軸承用來限制曲軸的軸向躥動，保證曲柄連桿機構各零件正確的相對位置。軸向定位是通過止推裝置實現(xiàn)的，止推裝置有翻邊軸瓦、止推片、止推環(huán)和軸向止推滾珠軸承等多種形式。翻邊軸承就是將徑向軸承與推力軸承合二為一。多層推力軸承卷邊4油孔3油槽2凸肩12023/2/552汽車構造曲軸飛輪組（3）常見多缸發(fā)動機曲拐布置和發(fā)火順序簡介曲軸的形狀和各曲拐的相對位置取決于汽缸數(shù)、氣缸排列方式和各缸的做功行程交替順序。在選擇發(fā)動機工作順序時，應注意以下幾點：應該使接連作功的兩個氣缸相距盡可能的遠，以減輕主軸承載荷和避免在進氣行程中發(fā)生搶氣現(xiàn)象。各氣缸發(fā)火的間隔時間應該相同。發(fā)火間隔時間若以曲軸轉(zhuǎn)角計則稱發(fā)火間隔角。在發(fā)動機完成一個工作循環(huán)的曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，每個氣缸都應發(fā)火作功一次。對于氣缸數(shù)為i的四沖程發(fā)動機，其發(fā)火間隔角應為720°/i，即曲軸每轉(zhuǎn)720°/i時，就有一缸發(fā)火作功，以保證發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。V型發(fā)動機左右兩列氣缸應交替發(fā)火。2023/2/553汽車構造曲軸飛輪組(a)直列四缸四行程發(fā)動機發(fā)火間隔角為720°/4=180°。發(fā)火順序有2種，即1—2—4—3或1—3—4—2。直列四缸發(fā)動機曲拐布置2023/2/554汽車構造曲軸飛輪組工作循環(huán)表發(fā)火順序：1—3—4—2發(fā)火順序：1—2—4—32023/2/555汽車構造曲軸飛輪組(b)直列六缸四行程發(fā)動機發(fā)火間隔角為720°/6=120°，曲拐均勻布置在互成120°的3個平面內(nèi)。國產(chǎn)汽車常用發(fā)火順序為1—5—3—6—2—4。直列六缸發(fā)動機曲拐布置2023/2/556汽車構造曲軸飛輪組工作循環(huán)表發(fā)火順序：1—5—3—6—2—42023/2/557汽車構造曲軸飛輪組(c)直列五缸四行程發(fā)動機發(fā)火間隔角為720°/5=144°，曲拐均勻布置在互成144°的5個平面內(nèi)。發(fā)火順序為1—2—4—5—3。直列五缸發(fā)動機曲拐布置2023/2/558汽車構造曲軸飛輪組工作循環(huán)表發(fā)火順序：1—2—4—5—32023/2/559汽車構造V形六缸發(fā)動機曲拐布置曲軸飛輪組(d)V形六缸四行程發(fā)動機發(fā)火間隔角為720°/6=120°，曲拐均勻布置在互成60°的6個平面內(nèi)。發(fā)火順序為1—4—3—6—2—5。2023/2/560汽車構造曲軸飛輪組工作循環(huán)表曲軸轉(zhuǎn)角/（°）1缸2缸3缸4缸5缸6缸0~1800~60做功排氣進氣壓縮進氣60~120進氣壓縮排氣120~180做功180~360180~240排氣壓縮240~300壓縮做功進氣300~360排氣360~540360~420進氣做功420~480做功排氣壓縮480~540進氣5